แรงดันไฟฟ้าคือ 'แรงดันไฟฟ้า' ที่ผลักดันกระแสไฟฟ้าผ่านวงจร ลองนึกภาพเหมือนแรงดันน้ำในท่อ แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น = แรงผลักที่แรงขึ้น วัดเป็นโวลต์ (V) ไม่เหมือนกับกระแสไฟฟ้าหรือกำลังไฟฟ้า!

• 1 โวลต์ = 1 จูลต่อคูลอมบ์ (พลังงานต่อประจุ)
• แรงดันไฟฟ้าทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า (เหมือนแรงดันทำให้น้ำไหล)
• วัดระหว่างจุดสองจุด (ความต่างศักย์)
• แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น = พลังงานต่อประจุมากขึ้น

แรงดันไฟฟ้า (V) = แรงดัน, กระแสไฟฟ้า (I) = อัตราการไหล, กำลังไฟฟ้า (P) = อัตราพลังงาน P = V × I 12V ที่ 1A = 12W กำลังไฟฟ้าเท่ากัน แต่สามารถมีชุดค่าแรงดันไฟฟ้า/กระแสไฟฟ้าที่แตกต่างกันได้

• แรงดันไฟฟ้า = แรงดันไฟฟ้า (V)
• กระแสไฟฟ้า = การไหลของประจุ (A)
• กำลังไฟฟ้า = แรงดันไฟฟ้า × กระแสไฟฟ้า (W)
• ความต้านทาน = แรงดันไฟฟ้า ÷ กระแสไฟฟ้า (Ω, กฎของโอห์ม)

แรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (DC) มีทิศทางคงที่: แบตเตอรี่ (1.5V, 12V) แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) จะกลับทิศทาง: ไฟบ้าน (120V, 230V) แรงดันไฟฟ้า RMS = ค่าเทียบเท่ากระแสตรงที่มีประสิทธิภาพ

• DC: แรงดันไฟฟ้าคงที่ (แบตเตอรี่, USB, วงจร)
• AC: แรงดันไฟฟ้าสลับ (ไฟบ้าน, กริด)
• RMS = แรงดันไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพ (120V AC RMS ≈ 170V สูงสุด)
• อุปกรณ์ส่วนใหญ่ใช้ DC ภายใน (อะแดปเตอร์ AC จะแปลงไฟ)

โวลต์ (V) เป็นหน่วย SI สำหรับศักย์ไฟฟ้า กำหนดจากวัตต์และแอมแปร์: 1 V = 1 W/A และ: 1 V = 1 J/C (พลังงานต่อประจุ) คำนำหน้าตั้งแต่ atto ถึง giga ครอบคลุมทุกช่วง

• 1 V = 1 W/A = 1 J/C (นิยามที่แน่นอน)
• kV สำหรับสายส่งไฟฟ้า (110 kV, 500 kV)
• mV, µV สำหรับเซ็นเซอร์ สัญญาณ
• fV, aV สำหรับการวัดระดับควอนตัม

W/A และ J/C เทียบเท่ากับโวลต์ตามนิยาม แสดงความสัมพันธ์: V = W/A (กำลังไฟฟ้าต่อกระแสไฟฟ้า), V = J/C (พลังงานต่อประจุ) มีประโยชน์ในการทำความเข้าใจฟิสิกส์

• 1 V = 1 W/A (จาก P = VI)
• 1 V = 1 J/C (นิยาม)
• ทั้งสามเหมือนกัน
• มุมมองที่แตกต่างกันในปริมาณเดียวกัน

แอบโวลต์ (EMU) และสแตตโวลต์ (ESU) จากระบบ CGS แบบเก่า ไม่ค่อยได้ใช้ในปัจจุบันแต่ปรากฏในตำราฟิสิกส์ในอดีต 1 สแตตโวลต์ ≈ 300 V; 1 แอบโวลต์ = 10 nV

• 1 แอบโวลต์ = 10⁻⁸ V (EMU)
• 1 สแตตโวลต์ ≈ 300 V (ESU)
• ล้าสมัยแล้ว โวลต์ SI เป็นมาตรฐาน
• ปรากฏในตำราเก่าเท่านั้น

ความสัมพันธ์พื้นฐาน: V = I × R แรงดันไฟฟ้าเท่ากับกระแสไฟฟ้าคูณด้วยความต้านทาน รู้ค่าสองอย่าง คำนวณค่าที่สามได้ พื้นฐานของการวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าทั้งหมด

• V = I × R (แรงดันไฟฟ้า = กระแสไฟฟ้า × ความต้านทาน)
• I = V / R (กระแสไฟฟ้าจากแรงดันไฟฟ้า)
• R = V / I (ความต้านทานจากการวัด)
• เป็นเชิงเส้นสำหรับตัวต้านทาน ไม่ใช่เชิงเส้นสำหรับไดโอด ฯลฯ

ในวงจรปิดใดๆ ผลรวมของแรงดันไฟฟ้าทั้งหมดเป็นศูนย์ เหมือนกับการเดินเป็นวงกลม: การเปลี่ยนแปลงความสูงรวมกันเป็นศูนย์ พลังงานถูกอนุรักษ์ จำเป็นสำหรับการวิเคราะห์วงจรไฟฟ้า

• ΣV = 0 รอบวงจรปิดใดๆ
• แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น = แรงดันไฟฟ้าที่ลดลง
• การอนุรักษ์พลังงานในวงจร
• ใช้แก้ปัญหาวงจรที่ซับซ้อน

สนามไฟฟ้า E = V/d (แรงดันไฟฟ้าต่อระยะทาง) แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นในระยะทางสั้นๆ = สนามไฟฟ้าที่แรงขึ้น ฟ้าผ่า: แรงดันไฟฟ้าหลายล้านโวลต์ในระยะทางไม่กี่เมตร = สนามไฟฟ้า MV/m

• E = V / d (สนามไฟฟ้าจากแรงดันไฟฟ้า)
• แรงดันไฟฟ้าสูง + ระยะทางสั้น = สนามไฟฟ้าแรง
• การทะลุทะลวง: อากาศเกิดไอออนที่ ~3 MV/m
• ไฟฟ้าสถิต: kV ในระยะทางไม่กี่มิลลิเมตร

USB: 5V (USB-A), 9V, 20V (USB-C PD) แบตเตอรี่: 1.5V (AA/AAA), 3.7V (Li-ion), 12V (รถยนต์) ลอจิก: 3.3V, 5V ที่ชาร์จแล็ปท็อป: โดยทั่วไป 19V

• USB: 5V (2.5W) ถึง 20V (100W PD)
• แบตเตอรี่โทรศัพท์: 3.7-4.2V Li-ion
• แล็ปท็อป: โดยทั่วไป 19V DC
• ระดับลอจิก: 0V (ต่ำ), 3.3V/5V (สูง)

บ้าน: 120V (สหรัฐอเมริกา), 230V (ยุโรป) AC การส่ง: 110-765 kV (แรงดันไฟฟ้าสูง = การสูญเสียต่ำ) สถานีย่อยจะลดแรงดันไฟฟ้าลงเป็นแรงดันไฟฟ้าสำหรับจ่ายไฟ แรงดันไฟฟ้าต่ำลงใกล้บ้านเพื่อความปลอดภัย

• การส่ง: 110-765 kV (ระยะไกล)
• การจ่าย: 11-33 kV (ในละแวกบ้าน)
• บ้าน: 120V/230V AC (เต้ารับ)
• แรงดันไฟฟ้าสูง = การส่งที่มีประสิทธิภาพ

เครื่องเร่งอนุภาค: MV ถึง GV (LHC: 6.5 TeV) รังสีเอกซ์: 50-150 kV กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน: 100-300 kV ฟ้าผ่า: โดยทั่วไป 100 MV เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแวนเดอกราฟ: ~1 MV

• ฟ้าผ่า: ~100 MV (100 ล้านโวลต์)
• เครื่องเร่งอนุภาค: ช่วง GV
• หลอดรังสีเอกซ์: 50-150 kV
• กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน: 100-300 kV

แต่ละขั้นตอนของคำนำหน้า = ×1000 หรือ ÷1000 kV → V: ×1000 V → mV: ×1000 mV → µV: ×1000

• kV → V: คูณด้วย 1,000
• V → mV: คูณด้วย 1,000
• mV → µV: คูณด้วย 1,000
• ย้อนกลับ: หารด้วย 1,000

P = V × I (กำลังไฟฟ้า = แรงดันไฟฟ้า × กระแสไฟฟ้า) 12V ที่ 2A = 24W 120V ที่ 10A = 1200W

• P = V × I (วัตต์ = โวลต์ × แอมแปร์)
• 12V × 5A = 60W
• P = V² / R (ถ้ารู้ค่าความต้านทาน)
• I = P / V (กระแสไฟฟ้าจากกำลังไฟฟ้า)

V = I × R รู้ค่าสองอย่าง หาค่าที่สาม 12V ผ่าน 4Ω = 3A 5V ÷ 100mA = 50Ω

• V = I × R (โวลต์ = แอมแปร์ × โอห์ม)
• I = V / R (กระแสไฟฟ้าจากแรงดันไฟฟ้า)
• R = V / I (ความต้านทาน)
• จำไว้: หารเพื่อหา I หรือ R

USB-C จ่ายไฟ 20V ที่ 5A กำลังไฟฟ้าคือเท่าใด?

P = V × I = 20V × 5A = 100W (สูงสุดของการจ่ายพลังงานผ่าน USB)

แหล่งจ่ายไฟ 5V, LED ต้องการ 2V ที่ 20mA ตัวต้านทานแบบใด?

แรงดันไฟฟ้าตก = 5V - 2V = 3V R = V/I = 3V ÷ 0.02A = 150Ω ใช้ตัวต้านทานมาตรฐาน 150Ω หรือ 180Ω

ทำไมต้องส่งที่ 500 kV แทนที่จะเป็น 10 kV?

การสูญเสีย = I²R สำหรับกำลังไฟฟ้าเดียวกัน P = VI ดังนั้น I = P/V 500 kV มีกระแสน้อยกว่า 50 เท่า → การสูญเสียน้อยกว่า 2500 เท่า (ปัจจัย I²)!

เซลล์ประสาทรักษาสักย์พักที่ -70 mV ศักย์ทำงานจะพุ่งสูงถึง +40 mV (การเปลี่ยนแปลง 110 mV) เพื่อส่งสัญญาณที่ความเร็ว ~100 เมตร/วินาที สมองของคุณคือคอมพิวเตอร์ไฟฟ้าเคมีขนาด 20W!

ฟ้าผ่าทั่วไป: ~100 MV ในระยะทาง ~5 กม. = สนามไฟฟ้า 20 kV/m แต่กระแสไฟฟ้า (30 kA) และระยะเวลา (<1 ms) เป็นตัวการที่สร้างความเสียหาย พลังงาน: ~1 GJ สามารถจ่ายไฟให้บ้านได้หนึ่งเดือน—ถ้าเราจับมันได้!

ปลาไหลไฟฟ้าสามารถปล่อยกระแสไฟฟ้า 600V ที่ 1A เพื่อป้องกันตัว/ล่าเหยื่อ มีเซลล์ไฟฟ้ามากกว่า 6000+ เซลล์ (แบตเตอรี่ชีวภาพ) ต่ออนุกรม กำลังไฟฟ้าสูงสุด: 600W ทำให้เหยื่อสลบทันที ปืนไฟฟ้าของธรรมชาติ!

USB-C PD 3.1: สูงสุด 48V × 5A = 240W สามารถชาร์จแล็ปท็อปสำหรับเล่นเกม, จอภาพ, แม้กระทั่งเครื่องมือไฟฟ้าบางชนิดได้ ขั้วต่อเดียวกับโทรศัพท์ของคุณ สายเคเบิลเส้นเดียวที่ครองทุกสิ่ง!

การสูญเสียกำลังไฟฟ้า ∝ I² แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น = กระแสไฟฟ้าที่ต่ำลงสำหรับกำลังไฟฟ้าเดียวกัน สายส่ง 765 kV สูญเสียน้อยกว่า 1% ต่อ 100 ไมล์ ที่ 120V คุณจะสูญเสียทั้งหมดใน 1 ไมล์! นั่นคือเหตุผลที่กริดไฟฟ้าใช้ kV

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแวนเดอกราฟสามารถสร้างแรงดันได้ถึง 1 MV แต่ก็ปลอดภัย—กระแสไฟฟ้าเล็กน้อย ไฟฟ้าสถิต: 10-30 kV ปืนไฟฟ้า: 50 kV กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านหัวใจ (>100 mA) ต่างหากที่อันตราย ไม่ใช่แรงดันไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้าเพียงอย่างเดียวไม่สามารถฆ่าได้

โวลตาประดิษฐ์แบตเตอรี่ (เสาโวลตา) แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าต่อเนื่องแห่งแรก ต่อมาหน่วยนี้ได้รับการตั้งชื่อว่า 'โวลต์' เพื่อเป็นเกียรติแก่เขา

โอห์มค้นพบ V = I × R กฎของโอห์มกลายเป็นรากฐานของทฤษฎีวงจรไฟฟ้า ตอนแรกถูกปฏิเสธ แต่ตอนนี้เป็นพื้นฐาน

ฟาราเดย์ค้นพบการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า แสดงให้เห็นว่าแรงดันไฟฟ้าสามารถถูกเหนี่ยวนำได้โดยการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็ก ทำให้เกิดเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

การประชุมไฟฟ้านานาชาติครั้งแรกกำหนดโวลต์: EMF ที่สร้างกระแส 1 แอมแปร์ผ่าน 1 โอห์ม

เวสติงเฮาส์ชนะสัญญาสร้างโรงไฟฟ้าพลังน้ำไนแอการาฟอลส์ AC ชนะ 'สงครามกระแสไฟฟ้า' แรงดันไฟฟ้า AC สามารถถูกแปลงได้อย่างมีประสิทธิภาพ

CGPM กำหนดโวลต์ใหม่ในเชิงสัมบูรณ์ โดยอิงจากวัตต์และแอมแปร์ นิยาม SI ที่ทันสมัยถูกสร้างขึ้น

มาตรฐานแรงดันไฟฟ้าโจเซฟสัน ผลกระทบควอนตัมกำหนดโวลต์ด้วยความแม่นยำ 10⁻⁹ โดยอิงจากค่าคงที่ของพลังค์และความถี่

การกำหนดนิยาม SI ใหม่: โวลต์ตอนนี้ได้มาจากค่าคงที่ของพลังค์ที่กำหนดไว้ตายตัว นิยามที่แน่นอน ไม่จำเป็นต้องมีสิ่งประดิษฐ์ทางกายภาพ

แรงดันไฟฟ้าคือแรงดันไฟฟ้า (เหมือนแรงดันน้ำ) กระแสไฟฟ้าคืออัตราการไหล (เหมือนการไหลของน้ำ) แรงดันไฟฟ้าสูงไม่ได้หมายความว่ากระแสไฟฟ้าสูง คุณสามารถมีแรงดันไฟฟ้าสูงโดยไม่มีกระแสไฟฟ้า (วงจรเปิด) หรือกระแสไฟฟ้าสูงที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำ (ลัดวงจรผ่านสายไฟ) ได้

การสูญเสียกำลังไฟฟ้าในสายไฟ ∝ I² (กระแสยกกำลังสอง) สำหรับกำลังไฟฟ้าเดียวกัน P = VI แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นหมายถึงกระแสไฟฟ้าที่ต่ำลง 765 kV มีกระแสน้อยกว่า 120V ถึง 6,375 เท่าสำหรับกำลังไฟฟ้าเดียวกัน → การสูญเสียน้อยกว่า ~40 ล้านเท่า! นั่นคือเหตุผลที่สายส่งไฟฟ้าใช้ kV

ไม่ได้ กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านร่างกายของคุณต่างหากที่ฆ่า ไม่ใช่แรงดันไฟฟ้า ไฟฟ้าสถิตคือ 10-30 kV แต่ปลอดภัย (<1 mA) ปืนไฟฟ้า: 50 kV แต่ปลอดภัย อย่างไรก็ตาม แรงดันไฟฟ้าสูงสามารถบังคับให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านความต้านทานได้ (V = IR) ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าสูงจึงมักหมายถึงกระแสไฟฟ้าสูง กระแสไฟฟ้า >50 mA ที่ไหลผ่านหัวใจนั้นเป็นอันตรายถึงชีวิต

แรงดันไฟฟ้า DC (กระแสตรง) มีทิศทางคงที่: แบตเตอรี่, USB, แผงโซลาร์เซลล์ แรงดันไฟฟ้า AC (กระแสสลับ) จะกลับทิศทาง: เต้ารับที่ผนัง (50/60 Hz) แรงดันไฟฟ้า RMS (120V, 230V) คือค่าเทียบเท่ากระแสตรงที่มีประสิทธิภาพ อุปกรณ์ส่วนใหญ่ใช้ DC ภายใน (อะแดปเตอร์ AC จะแปลงไฟ)

เหตุผลทางประวัติศาสตร์ สหรัฐอเมริกาเลือก 110V ในช่วงทศวรรษ 1880 (ปลอดภัยกว่า, ต้องการฉนวนน้อยกว่า) ต่อมายุโรปได้กำหนดมาตรฐานไว้ที่ 220-240V (มีประสิทธิภาพมากกว่า, ใช้ทองแดงน้อยกว่า) ทั้งสองแบบทำงานได้ดี แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น = กระแสไฟฟ้าที่ต่ำลงสำหรับกำลังไฟฟ้าเดียวกัน = สายไฟที่บางลง การแลกเปลี่ยนระหว่างความปลอดภัยและประสิทธิภาพ

ได้ แบบอนุกรม: แบตเตอรี่ที่ต่ออนุกรมจะบวกแรงดันไฟฟ้าเข้าด้วยกัน (1.5V + 1.5V = 3V) แบบขนาน: แรงดันไฟฟ้าจะเท่าเดิม (1.5V + 1.5V = 1.5V, แต่ความจุเป็นสองเท่า) กฎแรงดันไฟฟ้าของเคอร์ชอฟฟ์: แรงดันไฟฟ้าในวงจรปิดใดๆ จะรวมกันเป็นศูนย์ (การเพิ่มขึ้นเท่ากับการลดลง)